金属切削原理与刀具教案

厦门海洋职业技术学院

教案

2013〜2014学年第二学期

系部机电工程系

教研室机械制造

课程名称金属切削原理及刀具

适用班级数控3121、3122、3123

主讲教师邹笑平

职称高级工

二。一四年一月八日

厦门海洋职业技术学院教务处制

这是被加工材料的代号：

P--一般碳钢及合金钢;M—不锈钢及钢铸件;K--灰铸铁及球墨铸

铁；

N--铝及有色金属以及非铁金属;S—钛合金及镁基合金;H—淬硬钢

及冷硬铸铁

教案

授课时间3121班第5周3122班第5周3123班第5周星期

星期一、三、四、星期一、三、四、一、三、四、五第7.8,

五第7.8,7.8,第5.6,5.6,7.8,1.2,5.6节

1.2,5.6节3.4节

课次4学时数8

授课形式纯理论口纯实践口理实一体化同习题课口其他口

（请打

V）

授课题目

绪论、切削运动、刀具切削部分基本定义，刀具角度。

教学目的

掌握切削运动的基本概念

掌握刀具切削部分几何参数及刀具角度的概念

教学重点

六个基本角度

教学难点

刀具切削部分几何参数的基本定义

使用的教

多媒体，刀具实物

具/多媒

体/仪器

/仪表/

设备等

教学方法

讲授、举例说明。

参考资料

绪论

课程性质和任务

金属切削原理及刀具课程是机械工程及自动化专业机制方向的专

业任选课。

本课程是研究金属切削加工过程及刀具设计、使用的一门科学，该课

程既有理论性又有很强的实践应用性，为学生在日后工作中解决机械

教制造技术问题奠定一定的基础。

学本课程是由金属切削原理和金属切削刀具两部分组成，前者又是

基本课程及其它专业课程的基础，主要讲述金属切削过程中各种物理现

本象的变化规律，以及应用这些规律解决金属切削技术问题的方法；后

内者主要讲述通用刀具和专用刀具的类型、结构特点、应用范围及设计

容计算方法等。

及能力培养

设学习本课程后，应具备以下能力：

计能正确图示并合理选择刀具几何参数；掌握金属切削基本规律，

并会初步运用其分析解决金属切削的技术问题；了解常见通用刀具的

类型、结构特点及应用范围，并能正确选用；初步掌握专用刀具的设

计计算方法；对刀具的发展趋势和新成就有初步的了解；具有较强的

自学能力和创新意识，能进一步研究探讨金属切削及刀具设计理论。

第一章基本定义

第一节切削运动及切削用量

金属切削加工：是工件及刀具相互作用的过程，是用刀具从工件

表面上切除多余的材料的过程。

金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精

度、表面质量达到设计及使用要求。

实现切削过程的三个条件

1.切削运动：工件及刀具之间要有相对运动。

2.切削性能：刀具材料必须具备一定的切削性能。

教3.切削角度：刀具必须具有合理的几何参数。

学三个表面

基待加工表面：工件上即将切除的表面。

本已加工表面：工件上已经切除而形成的新表面。

内过度表面（加工表面）：工件上正在切削的表面。

容切削运动

及刀具及工件间的相对运动（即表面成形运动）。切削运动可分为

设主运动和进给运动。主运动和进给运动的向量合称为合成切削运动。

计主运动：使工件及刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动,

称为主运动。特征：速度最高、消耗功率最大。只有一个。

进给运动：使主运动能够连续切除工件上多余的金属，以便形成

工件表面所需的运动，称为进给运动。特征：速度低、消耗功率小。

可有多个。

切削层

在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下

的金属层，称为切削层。

切削层参数是指这个切削层的截面尺寸，一般在基面内度量和观

察。

切削用量

是切削加工中切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）的总称。

切削速度5：切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动

的速度。单位为m/s或m/min。

教主运动是旋转时，最大切削运动是：

学u=（m/s或m/min）

基1000

进给量f：是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。

本

当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者

内

沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r;

容

当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一

及

次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程;

设

对于多齿的旋转刀具（如铳刀、切齿刀），常用每齿进给量fz,

计

单位为mm/z或mm/齿。它及进给量f的关系为f=zfz

进给速度5：指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬间时速度,

单位为mm/s或m/mino车削时进给运动速度为：5=nf

背吃刀量（切削深度）：在基面上，垂直于进给运动方向测量

ap

的切削层最大尺寸（已加工表面及待加工表面间的垂直距离）。外圆

车削的背吃刀量：（）

ap=dw-dm/2

合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动。

合成切削速度5：切削刃上选定点相对于工件的合成运动的瞬时

速度。

Ue=j+Uf

第二节刀具几何角度

刀具的组成：由工作部分和非工作部分构成（车刀由刀头和刀柄

教两部分组成）。刀头用于切削，刀柄用于装夹。

学刀具切削部分的组成

基外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）

本组成可用一句话总结：“三面两刃一尖”。

内前面（前刀面）Ay：刀具上切屑流过的表面。

容主后面（后面）Aa：及工件过渡表面相对的表面。

及副后面Aa'：及已加工表面相对的表面。

设主切削刃S：前刀面及主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。

计副切削刃S'：前刀面及副后刀面的交线。它配合主切削刃完成

切削工作，并最终形成已加工表面。

刀尖（过渡刃）：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可

以是小的直线段，折线段，或圆弧。

刀具角度参考系

刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。用于定义刀

具角度的各基准坐标平面称为参考系。

参考系有两类

刀具静止参考系：用于刀具的设计、刃磨和测量的参考系。

刀具工作参考系：它是确定刀具切削工作时的基准，用于定义刀

具的工作角度。

刀具静止（标注角度）参考系

用于刀具的设计、刃磨和测量的参考系

四个假设条件

1.装刀时，刀尖恰在工件的中心线上；

2.刀具的轴线垂直工件的轴线；

3.没有进给运动；

4.工件已加工表面的形状是圆住表面。

正交平面参考系

由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。

切削平面Ps：包含有切削刃选定点的切线及切削速度向量的平面。

基面Pr：通过切削刃选定点且垂直于切削速度向量的平面。

正交平面P。：是过切削刃选定点，并垂直于切削平面PS及基面

Pr的平面。

法平面参考系

法平面参考系由基面Pr、切削平面PS和法平面Pn组成。

法平面Pn:过主切削刃选定点并垂直于主切削刃或其切线的平

面。

假定工作平面参考系

假定工作平面参考系由Pr、Pf和Pp组成。

假定进给平面（假定工作平面）Pf：过主切削刃选定点，平行于

假定进给运动方向并垂直于基面的平面。

假定切深平面（背平面）Pp:过切削刃上选定点，垂直于假定进

给平面和基面的平面。

正交平面参考系内的标注角度

前角Y。：在正交平面内测量的前刀面及基面之间的夹角。前角表

示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。

后角Q。：在正交平面内测量的主后刀面及切削平面之间的夹角。

后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值C

主偏角Kr：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影及进给运动

方向的夹角。主偏角一般为正值。

刃倾角入S：在切削平面内测量的主切削刃及基面之间的夹角。

当主切削刃呈水平时，As=o；刀尖为主切削刃最低点时，Xs<0;

刀尖为主切削刃上最高点是，As>Oo

副偏角KJ：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影及进给运

动反方向的夹角。副偏角一般为正值。

副后角Q。'：在正交平面内测量的副后刀面及切削平面的夹角。

在正交平面参考系中，需要6个独立角度KT、丫0、QO、入S、

和QO'确定一把刀具切削部分的几何形状。

法平面参考系内的标注角度

法平面参考系由Pr、Ps、Pn三个面组成。

法前角yn、法后角an、法楔角Bn、主偏角KI\刃倾角前角入S、

副偏角KI*'

法前角Yn：在法平面内测量的前刀面AY及基面Pr的夹角。

法后角Qn：在法平面内测量的切削平面PS及后刀面AQ的夹角。

法楔角又：在法剖平面内测量的前刀面Ay及后刀面AQ的夹角。

假定工作平面参考系中的标注角度

背前角YP、背后角cip、背楔角瓦、侧前角丫小侧后角Qf、

侧楔角d

刀具角度的一面二角分析法

空间任意一个平面的定向角度只需两个，所以判断刀具切削部分

需要标注的独立角度数量可用一面二角分析法确定。

即刀具需要标注的独立角度的数量是刀面数量的二倍。

用工作图标注刀具几何参数时首先应判断或假定刀具哪条是主切

削刃，那条是副切削刃。然后就可确定各切削刃的基准坐标平面及全

部的标注参数。

四、刀具的工作角度

刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。

及静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就

在于它以合成切削运动外或刀具安装位置条件来确定工作参考系的

基面Pre°

由于工作基面的变化，将带来工作切削平面Pse的变化，从而导致

工作前角Yoe、工作后角a%的变化。

研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重

要的指导意义。

刀具工作参考系

工作基面Pre：通过切削刃上的选定点，垂直于合成切削运动速度

方向的平面。

工作切削平面Pse：通过切削刃上的选定点，及切削刃相切且垂

直于工作基面的平面。

工作正交平面PDe：通过切削刃上的选定点，同时垂直于工作基面、

工作切削平面的平面。

刀具工作角度的定义及标注角度类似。

在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度（Yoe>a°e、K

心K’小Q’oe、Ae）的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加

工过程的影响情况。

在车削（切断、车螺纹、车丝杠）、镣孔、铳削等加工中，通常

因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利

影响。

刀具安装对工作角度的影响

刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响

刀尖安装高低对工作前、后角的影响

进给运动对工作角度的影响

进给运动方向及工件旋转轴线不平行

轴向进给运动对工作前、后角的影响

横向进给运动的影响

新课引入3分钟讲授新课79分钟课堂训练5分钟小结3

分钟。

课后作业

/思考题

教学后记

说明：1.课程教案应按授课次数编写；重复班授课不再另行编写教

案。

2.合班课的“授课时间”可以集中填写。

教案

3121班第6周3122班第6周3123班第6周

星期一、三、四、星期一、三、四、星期一、三、四、

授课时间

五第7・8,7.8,第5.6,5.6,五第7.8,7.8,

1.2,5.6节3.4节1.2,5.6节

课次4学时数8

授课形式

（请打纯理论口纯实践口理实一体化EZf习题课口其他口

V）

切削层及切削方式；金属切削对刀具材料性能的要求；常

授课题目

用刀具材料性能及应用。

教学目的掌握常用刀具材料性能及应用：高速钢硬质合金

教学重点金属切削对刀具材料性能的6项要求

教学难点常用刀具材料性能及应用：高速钢硬质合金

使用的教

具/多媒多媒体

体/仪器/

仪表/设

备等

教学方法讲授、列举工厂实际。

参考资料

第三节切削层及切削方式

切削层：是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一

动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过

渡表面的动作）所切除的工件材料层切削层。

切削层参数：是指切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的

教

负荷和切屑的尺寸大小，一般在基面内度量和观察

学

切削层公称厚度力垂直于正在加工的表面（过渡表面）度

基

量的切削层参数。（简称切削厚度）hD=fsinK

本r

切削层公称宽度%:平行于正在加工的表面（过渡表面）度

内

容量的切削层参数。（简称切削宽度）bD=%/sin%

切削层公称横截面积在切削层参数平面内度量的横截

及AD:

面积。（简称切削面积）A=hb=af

设DDDp

上述公式中可看出：h.%均及主偏角有关，但切削层公称

计D

横截面积5°只及力6%或人为有关。

残留面积

实际横截面积

切削方式

正交切削（直角切削）：正交切削是指切削刃垂直于合成切

削运动方向的切削方式。显然直角切削其切削刃刃倾角人=0。

非正交切削（斜角切削）：切削刃不垂直于合成切削运动方

向的切削，称非正交切削，即人力0。

自由切削：自由切削是指只有一条直线切削刃参及切削的方

式，其特点是切削刃上各点切屑流出方向一致，且金属变形在

二维平面内。

非自由切削：曲线刀刃或两条以上切削刃参及切削的切削方

式称为非自由切削方式。

在实际生产中，切削方式多属于非自由切削方式。在今后对

金属切削变形的研究中，为了简化条件常采用自由切削方式。

教

学第二章刀具材料

基刀具材料一般是指刀具切削部分的材料

本在切削过程中，刀具担负着切除工件上多余金属以形成已加

内工表面的任务。刀具的切削性能好坏，取决于刀具切削部分的

容材料、几何参数以及结构的合理性等。刀具材料对刀具寿命、

及加工生产效率、加工质量以及加工成本都有很大影响，因此必

设须合理选择。刀具材料的发展受着工件材料发展的促进和影响。

计刀具材料应具备的性能

高的硬度和耐磨性

足够的强度和韧性

高的耐热性（热稳定性）

良好的物理特性

良好的工艺性

经济性

高的硬度和耐磨性：硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀

具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。切

削金属所用刀具的切削刃的硬度，刀具材料常温硬度一般要求

大于60HRCo

耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度

越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的

教硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。

学但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它

基的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。

本足够的强度和韧性：为承受切削负荷、振动和冲击，刀具材

内料必须具备足够的强度和韧性。

容高的耐热性（热稳定性）：耐热性是衡量刀具材料切削性能

及的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强

设度和韧性的性能。刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性

计能愈好，允许的切削速度也愈高。

除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以

及良好的抗粘结和抗扩散能力，即刀具材料应具有良好的化学

稳定性。

良好的物理特性：刀具材料应具备良好的导热性、大的热容

量以及优良的热冲击性能。

良好的工艺性能：为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好

的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、

磨削加工性能等等。

经济性：经济性是刀具材料的重要指标之一。刀具材料的发

展应结合本国资源。有的刀具（如超硬材料刀具）虽然单件成

本很贵，但因其使用寿命很长，分摊到每个零件的成本不一定

很高。因此在选用时要考虑经济效果。此外，在切削加工自动

化和柔性制造系统中，也要求刀具的切削性能比较稳定和可靠,

教有一定的可预测性和高度的可靠性。

学常用刀具材料

基工具钢：包括碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢

本（如9SiCr、CrWMn）

内高速钢

容硬质合：有鸨钻类硬质合金、鸨钛钻类硬质合金和鸨钛铝

及（银）类硬质合金。

设陶瓷

计超硬刀具材料：金刚石及立方氮化硼等。

碳素工具钢和合金工具钢因耐热性低而常用于手工工具。

陶瓷、金刚石及立方氮化硼目前仅用于超硬工件的加工。

目前最常用的是高速钢和硬质合金。

高速钢

它是一种加入较多鸨、钥、铭、#1等合金元素的高合金钢。

热处理后硬度可达62〜66HRC,抗弯强度约3.3GPa,有

较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在5。0〜650°C

时仍能进行切削。由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适

合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铳刀、钻头、

切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。

高速钢的分类

教按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。

学按制造工艺可分为：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂

基层高速钢。

本按基本化学成份可分为：鸨系和鸨钳系。

内通用型高速钢

容这类高速钢含碳量为。.7〜0.9%,合金元素主要成分有W、

及Mo、Gr、V等。

设主要牌号：

计鸨钢：W18Cr4V(18-4-1)由于鸨价高，热塑性差，碳

化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。

鸨铝钢：它是鸨钢中部分鸨用铜取代而获得的一种高速钢。

典型牌号W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2),简称M2钢。强度、

韧性、热塑性好，但热处理时易脱炭、氧化，且淬火温度范围

窄等，用于热轧刀具或热成形刀具。另一种是W9Mo3Cr4V(9

-3-4-1)简称W9。其碳化物均匀界于M2及W18之间，

热稳定性优于M2o

高性能高速钢

高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钏、钻或铝等

合金元素，使其常温硬度可达67〜70HRC,耐磨性及热稳定

性进一步提高。

典型牌号：

高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2

高钞L高速钢W6Mo5Cr4V3

钻高速钢W6Mo5Cr4V2co5、W18Cr4VCo5

超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8(M42)W6Mo5Cr4V2Al

(501)

可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加

工材料。

粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是用高压氮气或纯氮气雾化熔融的高速钢

钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。

优点

可有效地解决一般熔炼高速钢在铸造时要产生的粗大碳化

物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织。这就使这种钢有良好

的力学性能。强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5〜3倍。

这种钢的磨加工性很好，磨削表面粗糙度可显著减小。

由于粉冶钢物理力学性能的高度各向同性，可减小淬火时的

变形(只及熔炼钢的1/2〜1/3)。

粉冶钢的耐磨性可提高20%〜3。％。。

适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂

成形刀具、拉刀等。

硬质合金

硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物（碳化鸨WC、

碳化钛TiC、碳化但TaC、碳化锂NbC等）和金属粘结剂（Co、

Mo、Ni等）用粉末冶金工艺制成。

特点：硬质合金刀具常温硬度为89〜93HRA,化学稳定性

好,热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800〜1000。Co硬质

合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5〜10倍，切削钢时,

切削速度可达220m/mino

硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车

刀、端铳刀等均由硬质合金制造。

硬质合金分为类

P类，用于加工长切屑（塑性）黑色金属。相当我国YT类

硬质合金；

K类，用于加工短切屑（脆性）黑色金属、有色金属和非金

属材料。相当于我国的YG类；

M类，可加工长切屑和短切屑黑色金属和有色金属。相当于

我国的YW类。

K类：鸨钻类硬质合金代号为YGo这类合金是由WC和Co

组成。合金中含钻量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用

于精加工。我国生产的常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8

等，含Co量分别为3%、6%、6%、8%oYG（K）类硬质合

金，有较好的韧性、磨削性、导热性。硬度为89〜91.5HRA,

抗弯强度为〜l.5GPa比YT类高。适合于加工产生崩碎切

屑及有冲击载荷的脆性金属材料。如黑色金属、有色金属以及

非金属材料，低速时也可加工钛合金等耐热钢。

P类：鸨钛钻类硬质合金代号为YT。它以WC为基体，添

加TiC,用Co作粘结剂烧结而成，常用牌号有YT5、YT14、

YT15及YT30,TiC含量分别为5%、14%、15%和30%,

相应的钻含量为10%、8%、6%及4%主要用于加工钢料；不

宜加工不锈钢和钛合金；适合于精加工。这类合金的硬度为

89.5〜92.5HRA,抗弯强度为0.9〜l.4GPa。随着合金成分

中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗

弯强度则降低。YT类硬质合金的突出优点是耐热性好。

M类：鸨钛但（铝）类硬质合金代号为YW。它在YT（P）

类硬质合金中加入TaC或NbC,这样可提高抗弯强度、疲劳强

度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用

于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。

以上三类硬质合金的主要成分都是WC,故可统称为WC基

硬质合金。

YN类硬质合金（TiC基硬质合金）：这类合金是TiC为

主要硬质相，以Ni或M。为粘结相制成的合金。它比WC基合

金有高的耐磨性、耐热性和高的硬度（近似陶瓷），但抗弯强

度和冲击韧性较差。通常适用于钢和铸铁的半精加工和精加工。

代表牌号为YN05和YN10。

硬质合金的选用

YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。

YT类硬质合金适于加工钢料。。

YW类硬质合金则主要用于加工耐热钢、高镒钢、不锈钢等

难加工材料。

硬质合金中含钻量增多（WC、TiC含量减少）时，其抗弯

强度和冲击韧度增高（硬度及耐热性降低），适合于粗加工。

含钻量减少（WC、Tic含量增加）时，其硬度、耐磨性及耐

热性增加（强度及韧性降低），适合于作精加工用。

在加工含钛的不锈钢（如lCrl8Ni9Ti）和钛合金时，不宜

采用YT类硬质合金。

涂层刀具材料

在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化

合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。

涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法（CVD法），沉积

温度1000℃左右；

涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法（PVD法），沉积

温度5000c左右。

常用的涂层材料有TiC、TiN、A12O3及其复合材料等，涂

层厚度随刀具材料不同而异。

TiC涂层：硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生

氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。

TiN涂层：在高温时能产生氧化膜，及铁基材料摩擦系数较

小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。

TiC-TiN复合涂层：第一层涂TiC,及刀具基体粘牢不易

脱落。第二层涂TiN,减少表面层及工件间的摩擦。

TiC-A12O3复合涂层：第一层涂TiC,及刀具基体粘牢不易

脱落。第二层涂A12O3可使刀具表面具有良好的化学稳定性和

抗氧化性能。

目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或

TiC-A12O3-TiN三复合涂层。

陶瓷刀具材料

以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结

而成的一种刀具材料。

优点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定

性和抗氧化性，及金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；

缺点：脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使

用范围受到限制；

可用于钢、铸铁类零件的车削、铳削加工.

金刚石刀具材料

碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前

人工制造出的最坚硬物质。

优点：由于硬度极高，其显微硬度达到10000HV,耐磨性

好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或

积屑瘤。

缺点：热稳定性差，切削温度超过700〜800℃时，就会完

全失去其硬度；强度低，脆性大，对振动敏感，只宜微量切削,

及铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。

可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65〜70HRC的材料；

也可用于加工高硬度的非金属材料，如玻璃等；还可加工有色

金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加

工。

立方氮化硼

立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由

六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。

特点：它有很高的硬度（其显微硬度为8000〜9000HV）

及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，及铁系金属在1300C时

不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。

可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。

新课引入3分钟讲授新课79分钟课堂训练5分钟小

结3分钟。

课后作业

无

/思考题

教学后记

说明：1.课程教案应按授课次数编写；重复班授课不再另行编写教

案。

2.合班课的“授课时间”可以集中填写。

教案

3121班第7周3122班第7周3123班第7周

星期一、三、四、星期一、三、四、星期一、三、四、

授课时间

五第7.8,7.82第5.6,5.6,五第7.8,7.8,

1.2,5.6节3.4节L2,5.6节

课次4学时数8

授课形式

（请打纯理论口纯实践口理实一体化出f习题课口其他口

V）

授课题目金属切削过程、切削力、切削热及切削温度。

掌握切屑变形、切削力和切削热及切削温度的变化规律及

教学目的

影响因素

教学重点变形过程和变形区划分

教学难点影响切削力和切削温度的因素

使用的教

具/多媒

体/仪器/多媒体

仪表/设

备等

教学方法讲授亲身经历、工厂实际报价。

参考资料

金属切削过程的基本规律

金属切削过程

刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到加工表面

形成为止的完整过程。

金属切削的基本规律做什么

主要研究以切屑形成机理为基础，从而对金属切削加工过程

中的各种现象，如切削力、切削热、切削温度和刀具磨损等进

教行研究，以解决生产中出现的问题，如积屑瘤、振动和切屑的

学卷曲及折断等。

基研究金属切削的基本规律的目的

本研究金属切削的基本规律对保证加工质量、提高生产率、降

内低生产成本和促进切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。

容第三章金属切削过程

及金属切削过程的变形

设变形区的划分

计第I变形区：即剪切变形区，从OA线开始发生塑性变形到

OM线晶粒的剪切滑移基本完成，金属剪切滑移，成为切屑。

第II变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压及摩

擦，产生纤维化。

第m变形区：已加工面受到后刀面挤压及摩擦，产生变形。

第I变形区

第I变形区内金属的剪切变形

OA一始滑移线；

OM—终滑移线。

OA及OM线之间的整个区域称第一变形区。

金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。

变形的主要特征是沿滑移线的剪切变形，以及加工硬化。

剪切面（滑移面）：在一般切削速度范围内，第一变形区的

教宽度仅约。.2〜。.02mm,所以可用一剪切面来表示。

学剪切角：剪切面和切削速度方向的夹角叫做剪切角，以甲表

基示。

本第II变形区

内当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前

容面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切

及变形。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金

设属称为滞流层，这一区域又称为第n变形区。

计此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原

因。

第m变形区

工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦，使

已加工表面内产生严重变形，已加工表面及后面的接触区称为

第田变形区。此区变形是造成已加工面纤维化、加工硬化和残

余应力的主要原因。

变形程度的表示方法

剪切角cp

变形系数A(§)

相对滑移系数£

前刀面的摩擦特点

在高温高压作用下，切屑底层及前刀面发生粘结，切屑及前

刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。

两个摩擦区

教粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平

学的凹坑中，形成长度为小的粘接区。切屑的粘接层及上层金属

基之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。

本滑动区：切屑在脱离前刀面之前，及前刀面只在一些突出点

内接触，切屑及前刀面之间的摩擦属于外摩擦。

容积屑瘤

及在切削速度不高而又能形成连续性切削的情况下，加工一般

设钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面切削处粘着一块剖面有

计时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2〜3

倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块

冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。

积屑瘤是如何产生

积屑瘤对切削过程的影响

防止积屑瘤的办法

影响切削变形的主要因素

工件材料

刀具角度

切削用量

切屑类型

教第四章切削力

学金属切削时，刀具切除工件上的多余金属所需要的力，称为

基切削力。

本切削力的来源：

内克服工件材料弹性变形的力。

容克服工件材料塑性变形的力。

及克服刀一屑、刀一工接触面之间的摩擦力。

设切削合力及其分解

计作用在刀具上的切削合力F可分解为常用的相互垂直的三

个分力：

Fc御刃一主切削力或切削力，是切削合力在主运动方向上

的投影，其方向垂直于基面。

Fc是计算切削功率的主要力，也是设计机床零件和计算刀

具强度的重要依据。

Fp1尸力一背向力或切深抗力，它在基面内并及进给方向

垂直。

Fp使工件产生弯曲变形并可能引起振动。

Ff(Fx)一进给抗力或进给力，它在基面内并及进给方向

平行。

Ff是设计进给机构和计算进给功率的依据。

切削力的求法

通过测量机床功率求切削力

利用测功率表测量机床的功率，然后求得切削力的大小。该

方法误差较大。

利用测力仪测量切削力

通常使用的切削测力仪有两种：电阻应变片式测力仪和压电

晶体式测力仪。

这两种测力仪都可以测出尸c，Fp、Ff三个分力，后者精

度较高。

利用经验公式计算切削力

通过大量实验，将测力仪测得的切削力数据，用数学方法进

行处理，得到切削力的经验式。

切削力的实验公式

F尸g曲，产0任

单位切削力kc(p)

切除单位切削层面积的主切削力。

如单位切削力为己知，则可计算出切削力Fc

Fc=kcAD=kcapf

影响切削力因素

切削用量

背吃刀量砂和进给量f:ap和f增加时，切削面积增加，

切削力增加；

ap增加时变形系数不变，切削力按正比关系增加；f增加时

变形系数减小，因此，切削力不按正比关系增加；f对切削力

的影响比ap的影响小。

切削速度：切削速度对切削力的影响规律及对切屑变形的影

响基本相同。切削塑性金属时，在积屑瘤区，由于积屑瘤现象

使刀具实际前角增大，切屑变形减小，切削力减小。在无积屑

瘤时，随u的增加，切削力减小。切削脆性金属时，u增加，切

削力略有减小。

工件材料

工件材料的强度、硬度越高，虽然切屑变形略有减小，但总

的切削力还是增大的。工件材料的化学成分不同，如含碳量多

少，是否含有合金元素等，切削力不同。热处理状态不同，切

削力也不同。材料硬化指数不同，切削力也不同。如不锈钢硬

化指数大，切削力大；铜、铝、铸铁及脆性材料硬化指数小，

切削力就小。

刀具几何参数的影响

前角：前角对切削力影响较大。当切削塑性金属时，切削力

随前角增加而减小。加工脆性金属时前角对切削力影响不明显。

主偏角：主偏角Kr对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进

给抗力影响显著(Krt-Fp|,Fff)

刃倾角：刃倾角入s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给

抗力影响显著(Ast-Fp；,Fff)

刀尖圆弧半径re：对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进

给抗力影响显著(比t—Fpf,FR);

负倒棱对切削力的影响：在锋利的切削刃上磨出负倒棱，可

以提高刃口强度，从而提高刀具使用寿命。负倒棱导致切削变

形增加，切削力增大。

其他因素影响

刀具材料：及工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影

响切削力；

通常按立方氮化硼，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢的顺序切

削力依次增大。

切削液：有润滑作用，使切削力降低；

后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显

著。

第五章切削热和切削温度

切削热的来源及传出

切削热来源：来源于三个变形区，即切屑的变形功和前、后

刀面的摩擦功。

切削热量Q：切削过程中消耗的功率98〜99%转换为热

能，Q=FCvc

切削热的传散：切削热主要由切屑、工件、刀具以及周围介

质传出。

切削温度测定及分布

什么是切削温度：指前刀面及切屑接触区内的平均温度。它

由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热越多，传

出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度越低。

切削温度的测量：自然热电偶法、人工热电偶法。

切削温度的分布

影响切削温度的主要因素

切削用量：切削速度对切削温度影响最大，进给量f对切削

温度的影响次之，背吃刀量ap对切削温度的影响最小。

刀具几何参数

前角：前角对切削温度的影响主要是依据其对变形和摩擦的

影响。前角增大，变形减小，切削温度降低。但当丫0大于18。〜

20°时，虽然变形小产生热量少，但散热条件恶化，故切削温

度不但不降低，反而有可能升高。

主偏角：主偏角对切削温度的影响主要是依据其对切削刃工

作长度和刀尖角变化的影响。当主偏角减小时，bD增加，而

hD减小，同时刀尖角葭增大，总的散热条件改善，故切削温

度减小。

工件材料

工件材料对切削温度的影响取决于其强度、硬度、导热性等。

合金钢强度高，比普通钢消耗功率大，而且导热系数小，散热

性差，故切削温度高。切削脆性材料时由于形成崩碎切屑，变

形及摩擦都小，故切削温度低。

切削液

切削液热导率、比热容、流量越大，温度越低

刀具磨损

刀具磨损较严重时，刀具刃口变钝，切屑变形增大，同时后

刀面及工件之间摩擦增大，二者均使切削热增加，切削温度升

高。刀具磨损是影响切削温度的主要因素。

掌握了切削温度的变化规律，就可以控制刀具的磨损和已加

工表面的质量。

切削温度对工件、刀具和切削过程的影响

高切削温度是刀具磨损的主要原因

它将限制生产率的提高

切削温度还会使加工精度降低

使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷

新课引入3分钟讲授新课79分钟课堂训练5分钟小

结3分钟。

课后作业

/思考题

教学后记

说明：L课程教案应按授课次数编写；重复班授课不再另行编写教

案。

2.合班课的“授课时间”可以集中填写。

教案

3121班第8周3122班第8周3123班第8周

星期一、三、四、星期一、三、四、星期一、三、四、

授课时间

五第7・8,7.8,第5.6,5.6,五第7.8,7.8,

1.2,5.6节3.4节1.2,5.6节

课次4学时数8

授课形式

（请打纯理论口纯实践口理实一体化EZf习题课口其他口

V）

刀具的磨损及刀具寿命

授课题目

切削用量的合理选择

了解和掌握影响刀具磨损及刀具寿命的因素；刀具耐用度

概念及其影响因素。了解和掌握制订切削用量的原则；切

教学目的

削用量三要素对生产率的影响；切削用量三要素的确定方

法。

教学重点刀具磨损的基本原因、刀具耐用度概念及其影响因素

教学难点制订切削用量的原则、切削用量三要素的确定方法

使用的教

具/多媒

体/仪器/多媒体

仪表/设

备等

教学方法讲授、举实例C

参考资料

教

学第六章刀具磨损及刀具寿命

刀具磨损：刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将

基

发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损。

本

刀具磨损形式

内

刀具的磨损可分为：正常磨损（刀具逐渐磨蚀）和非正常磨

容

损（刀具随机破损）

及

正常磨损

设

呈现为三种形态：前刀面磨损、后刀面磨损、边界磨损或（前

计

后刀面磨损）

刀具磨损的主要原因

刀具磨损的原因有以下几种：

磨粒磨损（或称机械擦伤磨损、硬质点磨损）、粘结磨损、

扩散磨损、相变磨损、化学磨损、热电磨损。

由于工件、刀具材料和切削条件变化很大，刀具磨损形式也

各不相同，故其磨损原因很复杂。但从对温度的依赖程度来看,

刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。前者是

由工件材料中硬质点的刻划作用引起的磨损，后者则是由粘结、

扩散、腐蚀等引起的磨损。

不同条件下刀具磨损的主要原因

不同的刀具材料、工件材料及切削条件下，磨损原因和磨损

强度是不同的。

教硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度（切削温度）

学下各类磨损所占比重是不同的：在低速（低温）区以硬质点磨

基损和粘结磨损为主；在高速（高温）区以扩散磨损和化学磨损

本为主。

内刀具的磨损是一个复杂的过程，磨损原因之间相互作用，如

容热电磨损促使扩散磨损加剧，扩散磨损又促使粘结、硬质点磨

及损加剧。

设归根结底，刀具磨损及温度有至关重要的联系。

计刀具磨损的过程

分三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段

刀具磨钝标准

刀具磨损到一定的限度，不能继续使用，这个磨损限度称为

磨钝标准。

国际标准ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面磨损带宽

度VB作为刀具的磨钝标准。

自动化生产中的精加工刀具常以工件径向上刀具磨损量NB

做为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量。

由于加工条件不同，所定的磨钝标准也有变化。精加工的磨

钝标准取小值，而粗加则取较大值。

磨钝标准的具体数值可参考有关手册，一般为。.3〜

0.6mmo

刀具耐用度（刀具寿命）

刀具耐用度是指刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀

具的磨钝标准所经过的总的切削时间，用T(min)表示。

对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几何形状选定

之后，切削用量是影响刀具耐用度的主要因素。

因为切削温度对刀具磨损影响很复杂，目前要用理论分析方

法导出切削用量及刀具耐用度之间的数学关系，及实际情况不

教尽符合，所以还是进行刀具耐用度实验来建立它们之间的实验

学关系式。

基影响刀具耐用度的因素

本切削用量的影响

内切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。提高切削速度，

容耐用度就降低。切削速度对切削温度影响最大，因而对刀具磨

及损影响最大

设切削时，增加进给量f和背吃刀量ap,刀具耐用度也要减小。

计切削速度％对刀具耐用度影响最大，进给量f次之，背吃刀

量ap最小

刀具几何参数的影响

前角：前角增大，切削温度降低，刀具耐用度提高，但前角

过大，刀具强度降低，散热差，刀具耐用度反而降低。存在一

个最佳值。

主偏角、副偏角：减小时，提高刀具耐用度。

刀尖圆弧半径：增大时，提高刀具耐用度。

工件材料

强度、硬度、韧性越高，刀具耐用度越低。

刀具材料

合理的刀具耐用度确定原则

一般有两种确定刀具耐用度的方法：最高生产率耐用度TP

和最低加工成本刀具耐用度Tc

第七章切削用量的合理选择

制订切削用量就是确定具体切削工序的背吃刀量为、进给量

A切削速度外及刀具耐用度T。

切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其

数值合理及否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重

要的影响。

所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机

床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的

生产率和低的加工成本的切削用量。

切削用量选择原则：能达到零件的质量要求（主要指表面粗

糙度和加工精度），并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利

用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下，选取一组最大的切

削用量。

制订切削用量时考虑的因素

1.切削用量对生产率的影响

2.切削用量对刀具寿命（刀具的耐用度）T的影响

3.切削用量对加工质量的影响

4.粗加工的切削用量，一般以提高生产效率为主，但也应

考虑经济性和加工成本；

5.半精加工和精加工的切削用量，应以保证加工质量为前

提，并兼顾切削效率、经济性和加工成本。

6.切削用量的选择顺序是

先定背吃刀量物,再选进给量/,最后确定切削速度外

综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的

背吃刀量aP,其次选择一个大的进给量f0最后根据已确定的

ap和f,并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选挥一个合理的

切削速度4。

切削用量制定的步骤

背吃刀量a。的选择

根据加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外，其余的

粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最小；粗加工（表面

粗糙度为Ra50〜12.55um）时，一次走刀应尽可能切除全部

余量，在中等功率机床上，背吃刀量可达8〜10mm。半精加

工（表面粗糙度为Ra6.3〜3.2pm）时，背吃刀量取为0.5〜

2mm。精加工（表面粗糙度为Ral.6〜0.81|am）时，背吃刀

量取为0.l~0.4mm。当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性

较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除，但第一次的走

刀应尽量的大。

进给量f的选择

粗加工，粗加工时，对工件表面质量没有太高要求，这时切

削力往往很大，合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进

给量。这一进给量受到下列一些因素的限制：机床进给机构的

强度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度和

工件的装夹刚度等。

精加工，精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙

度的限制。可利用计算的方法或查手册资料或凭经验法来确定

进给量f的值。

切削速度%的确定

根据已经选定的背吃刀量a＞进给量/及刀具耐用度T,就

可按公式计算切削速度。除了用计算方法外，生产中经常按实

践经验和有关手册资料选取切削速度。

提高切削用量的途径

采用切削性能更好的新型刀具材料

如采用超硬高速钢、含有添加剂的新型硬质合金、涂层硬质

合金和涂层高速钢、新型陶瓷（如A12O3、TiC及其他添加剂

的混合陶姿及Si3N4陶瓷）及超硬材料等。

改善工件材料的加工性

如采用添加硫、铅的易切钢；对钢材进行不同热处理以便改

善其金相显微组织等。

改进刀具结构和选用合理刀具几何参数

提高刀具的刃磨及制造质量

采用新型的性能优良的切削液和高效率的冷却方法

例如采用含有极压添加剂的切削液。

温故上节课程内容10分钟讲授新课60分钟课堂训练

15分钟小结5分钟。

课后作业

教材复习思考题

/思考题

教学后记

说明：L课程教案应按授课次数编写；重复班授课不再另行编写教

案。

2.合班课的“授课时间”可以集中填写。

教案

3121班第9周3122班第9周

3123班第9周星期

星期一、三、四、星期一、三、四、

授课时间一、三、四、五第7.8,

五第7.8,7.8,第5.6,5.6,

7.8,L2,5.6节

1.2,5.6节3.4节

课次4学时数8

授课形式

纯理论口纯实践口理实一体化时习题课口其他口

（请打，）

工件材料的切削加工性及切削液；

授课题目

已加工表面质量。

了解和掌握工件材料的切削加工性的规律；了解和掌握切削液

教学目的

的分类、作用；已加工表面质量概念及内容。

工件材料的切削加工性意义、概念和衡量指标、切削液的

教学重点

分类、作用。

教学难点已加工表面质量概念

使用的教

具/多媒

多媒体

体/仪器/

仪表/设

备等

教学方法讲授

参考资料

第八章工件材料的切削加工性及切削液

第一节工件材料的切削加工性

工件材料的切削加工性是指在一定的切削条件下，工件材料切削加

工的难易程度。当被切削工件难加工时，切削加工性差（低）；反之,

切削加工姓好（高）。切削加工性是一个相对的概念，如低碳钢，从

切削力和切削功率方面来衡量，则加工性好；如果从已加工表面粗糙

教度方面来衡量，则加工性不好。粗加工时，要求刀具的磨损慢和加工

学生产率高；而在精加工时，则要求工件有高的加工精度和较小的表面

基粗糙度。显然，这两种情况下所指的切削加工难易程度是不相同的。

本切削加工性的指标

内切削加工性既是相对的，那么衡量切削加工性的指标就不是唯一的。

容一般把切削加工性的衡量指标归纳为以下几个方面：

及以加工质量衡量切削加工性；

设以刀具耐用度衡量切削加工性；

计以单位切削力衡量切削加工性；

以断屑性能衡量切削加工性。

以加工质量衡量切削加工性

常用于零件的精加工。如：表面粗糙度、已加工表面变质层的深度、

残余应力和硬化程度来衡量其切削加工性等。

以单位切削力衡量切削加工性

在机床动力不足或机床一夹具一刀具一工件系统刚性不足时，常